柴油引燃天然气双燃料发动机性能试验研究

方案及结果分析

2.1 试验方案

按照GB17691-—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》进行ESC循环试验，。根据原机的全负荷曲线，确定发动机转速A、B和C分别为1 310 r/min、1 630 r/min和1 950 r/min，怠速转速为600 r/min（工况点L1），针对25%、50%、75%和100%四个负荷测量其燃料消耗量和尾气排放量。

2.2 柴油替代率

替代率定义：

式中： ——为替代率； ——为原柴油机柴油油耗，g·（kW·h）-1单位； —— 为双燃料发动机柴油油耗，g·（kW·h）-1单位。

图2示出了为柴油/天然气双燃料发动机和纯柴油机的扭矩转矩对比特性，由图可以看出知：维持原机扭矩转矩基本不变的情况下，各工况点达到较高替代率，最小替代率为88%，，最高替代率为97%。

式中： HCNG——为天然气低热值，kJ/kg； ； Hdie——为柴油低热值，kJ/kg；；Pe——为发动机有效功率，kW。

燃料消耗情况如图3和图4所示，其中图3中双燃料模式下的燃料消耗为柴油消耗和天然气消耗的和，图4中双燃料模式下将天然气消耗量转化为当量柴油消耗量。从由图3中可以看出知：在低负荷时，双燃料发动机能耗高于纯柴油发动机；中高负荷时，双燃料发动机能耗低于纯柴油发动机。但天然气价格低于柴油，双燃料发动机具有较大的经济优势。低负荷时，燃料消耗较高，这与混合气浓度过稀，，燃烧速度慢，燃烧不充分有关。随着负荷的增大，混合气变浓，双燃料发动机的热效率逐渐提高，燃烧充分。图4中双燃料模式下具有和图3同样的变化规律。

对比图3和图4容易发现：在图3中除了低负荷双燃料发动机燃料消耗高于纯柴油发动机外，其他它负荷下都低于纯柴油发动机；而在图4中，所有工况下双燃料发动机燃料消耗都高于纯柴油发动机。图4中的当量柴油消耗本质上是通过能量相等将天然气转化为柴油，所以图4实质上是纯柴油和当量柴油两者之间能耗的比较，而此时双燃料发动机的能耗高，所以双燃料发动机的能源利用率就低。

2.4 排放分析

图5和图6分别为NO_x各工况点ppm排放分布图和比排放分布图，在两图中双燃料发动机NO_x排放有共同规律，即在低负荷时排放低，高负荷时排放高。在低负荷混合气稀薄，燃烧推迟，缸内燃烧温度较低，因此NO_x排放较低；随着负荷的增加，替代率增大，缸内压力和温度升高，NO_x排放逐渐增大，在高负荷工况下，缸内压力和温度急剧上升，NO_x排放量迅速升高，尤其在高转速工况下，其NO_x排放ppm值甚至高于纯柴油模式。从由图76可以看出知：双燃料发动机NO_x比排放量相较于燃用纯柴油显著降低，因此，在排除掉负荷对NO_x排放的影响后，柴油/天然气双燃料发动机能够降低NO_x排放。

NOx比排放/[g·（kwh）-1]

图7和图8分别为HC排放ppm分布图和比排放分布图，从由图87可以看出知，双燃料发动机HC排放远高于纯柴油发动机，这是由于天然气点火困难，火焰传播速度慢，相对于纯柴油燃烧模式，双燃料模式下HC排放更高。在双燃料模式时，由于过量空气系数随着替代率的增加而降低，进入气缸内的天然气增加，燃烧室局部缺氧，在低负荷时燃烧不好或发生失火， HC排放量大幅度增大。双燃料模式HC排放质量分数随负荷增加而减小的变化趋势，在低负荷工况下，燃烧温度较低，火焰在燃烧室内传播速率低，未燃烧HC比例高，且此时的总排气量少，导致HC排放的质量分数高。中高负荷工况下，混合气变浓，燃烧条件充分改善， 总排气量增加使HC排放质量分数降低。另外在进、排气口重叠期，部分可燃混合气直接进入排气管也会造成HC排放量增加。从由图8可以看出知，HC比排放量在低速时较高，高速时较低；，同时发现，HC比排放量随负荷增加而增加，产生此现象产生的原因是随着总排气量的增加，HC的绝对排放量在增大。

HC比排放/[g·（kwh）-1]

从由图9可以看出知，双燃料发动机CO2排放在各工况点高于纯柴油发动机，这是由于天然气的主要成分CH4中碳所占的比例高于柴油中碳所占的比例；，同时随着燃烧的改善，负荷越高，CO2排放也越高，。这一点是和图8所反应反映的HC排放变化规律相符合的。

3 结论

通过以上分析我们可以得出如下结论，在所测试的转速和负荷范围内：

（1）纯柴油机改为柴油/天然气双燃料发动机可以保证其动力性基本不变，，ESC循环各工况点替代率在88%～97%。

（2）双燃料燃烧模式下，燃料消耗量比纯柴油燃烧模式下低，但是热效率也比纯柴油燃烧模式下低，为提高双燃料燃烧的热效率需要对发动机燃烧性能进行优化。

（3）柴油/天然气双燃料燃烧模式可以降低NO_x排放，但是会使HC排放增加。

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作者简介：

责任作者：孙昌（1987年-）， 男， 黑龙江省宝清县人，。 本科学士，主要研究方向为替代能源及新能源汽车设计制造。

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